Adicione Entrega de Energia USB Tipo-C aos Seus Projetos!

Introdução

O USB Type-C Power Delivery (PD) está se tornando cada vez mais prevalente em projetos de hardware, oferecendo aos dispositivos a capacidade de fornecer ou receber até 100W (e até mesmo até 240W na especificação atualizada 2.1!) de energia. Neste artigo, exploraremos os fundamentos do USB Type-C Power Delivery e aprenderemos como incorporar facilmente um CI PD dedicado em seus próprios projetos.

Figura 1 Placa de Demonstração USB Type-C PD

Conectores USB e seus respectivos cabos, como USB Type-A e Type-B, têm sido o padrão para conexões de dados e energia na maior parte da história do USB. No entanto, essas interfaces têm limitações em termos de entrega de energia. Em contraste, o USB Type-C oferece uma solução mais versátil com pinos capazes de lidar com correntes mais altas e pinos de canal de comunicação para negociação de energia.

Figura 2 Conector USB Type-C (Fonte: Farnell)

Figura 3 Distribuição dos Pinos do Conector USB-C (Fonte: All About Circuits)

Os pinos que nos interessam, em particular para a entrega de energia, são, claro, os pinos de energia e terra (VBUS, GND) mas também os pinos de canal de comunicação (CC1, CC2). Esses pinos CC podem ser usados para negociar energia entre dispositivos (fontes e receptores).

Não entraremos em detalhes sobre a especificação USB Type-C PD aqui, mas eu recomendo fortemente que você confira dois primers da Texas Instruments e da USB-IF.

Além disso, certifique-se de conferir o vídeo completo sobre um projeto de hardware baseado em USB Type-C PD aqui.

CI Controlador USB Type-C PD

Um método muito simples de utilizar a entrega USB Type-C, caso você só precise de até 15W de energia, é de fato sem ‘negociação direta’. Isso é alcançado puxando para baixo as linhas CC1 e CC1 através de resistores separados de 5.1kOhm no seu dispositivo que irá receber corrente. No entanto, tenha em mente que este método não permite verificar se a fonte pode suportar essa energia.

Figura 4 Resistores de Pull-Down CC 5.1k

TRANSLATE:

Uma abordagem melhor para incorporar a Entrega de Energia USB Tipo-C em seus projetos é usando um circuito integrado controlador PD USB Tipo-C. Esses circuitos integrados são projetados para lidar com o processo de negociação e entrega de energia. Vários fabricantes produzem esses ICs, oferecendo diferentes pacotes e capacidades para atender às suas necessidades específicas. Certifique-se de usar Octopart para conferir as muitas opções diferentes de ICs PD USB!

Figura 5 Infineon USB-C PD IC (Fonte: Infineon)

Vamos nos concentrar no Infineon CYPD3177, um controlador PD USB Tipo-C capaz de suportar USB PD 3.0 Revisão 2.0, oferecendo até 100 watts de entrega de energia (apenas receptor). Este IC facilita muito a negociação de diferentes requisitos de tensão e corrente dentro do protocolo PD USB e não requer muita configuração e circuito externo.

Além disso, o CYPD3177 possui um bloco I²C integrado, que permite controlar o dispositivo usando um controlador host externo. Isso abre oportunidades para personalizar e ajustar as configurações de PD USB além das configurações básicas de tensão e corrente.

Esquemático

Por sorte para nós, a Infineon fornece um datasheet muito bom, bem como uma referência de design de hardware para sua placa de avaliação. Todas as informações de que precisamos para criar o esquemático estão contidas nesses documentos.

Um esquemático de referência simplificado é mostrado abaixo:

Figura 6 Esquemático de Referência (Fonte: Infineon)

Entrada de Energia e Conector USB Tipo-C

As conexões com o conector USB Tipo-C são VBUS e GND, bem como os pinos CC1/CC2. Certifique-se de adicionar proteção ESD (e filtragem, se necessário) – dependendo dos requisitos da sua aplicação.

O IC é alimentado via o pino VBUS_IN (pino 18) e gera internamente suas próprias tensões necessárias, incluindo uma fonte de +3.3V de baixa corrente que podemos usar para alguns dos circuitos externos. Isso é muito prático, pois o IC não precisa de uma fonte externa adicional.
Como de costume, precisamos de alguns capacitores de desacoplamento nos pinos VCCD (pino 24) e VDDD (pino 23) conforme mostrado no esquemático de referência.

Saída de Energia e FETs

Você deve ter notado os dois conjuntos de transistores PFET no topo do esquemático. O conjunto mais acima é controlado pelo CI PD (VBUS_FET_EN, pino 3) para atuar como um interruptor de carga. Uma vez que a negociação é concluída através das linhas CC, o interruptor é fechado para permitir que a energia flua da fonte conectada ao conector USB Tipo-C para o subsistema relevante do seu dispositivo. O conjunto de PFET abaixo tem uma função de interruptor semelhante. No entanto, este interruptor só é fechado pelo CI PD (SAFE_PWR_EN, pino 4) caso a negociação falhe, e o sistema volte para os típicos +5V (e corrente mais baixa) na linha VBUS. Transistores adequados (por exemplo, baixa perda, capacidades de manuseio de corrente suficientes, bem como limites de tensão de porta-fonte e dreno-fonte adequados), assim como circuitos externos (resistores, capacitores e diodos) precisam ser escolhidos de acordo com as recomendações da folha de dados. Você também pode seguir o design de referência previamente vinculado para escolhas específicas de peças. Definindo Requisitos de Tensão e Corrente O CI PD pode ser controlado ou através da interface I²C mencionada anteriormente (HPI_SDA e HPI_SCL, pinos 12 e 13), ou de forma muito simples através de resistores de estrangulamento externos (ISNK_COARSE, ISNK_FINE, VBUS_MIN e VBUS_MAX, pinos 5, 6, 1 e 2). Para a opção de resistor de estrangulamento, a tensão nos pinos relevantes é amostrada na inicialização do CI e isso determina a faixa de tensão negociada, bem como a corrente máxima requerida. Isso é mostrado na tabela abaixo:

Figura 7 Opções de Resistor de Estrangulamento

Diversos O circuito anterior é a quantidade mínima que precisamos para este CI PD funcionar – como você pode ver, não é muito! No entanto, há algumas características adicionais que podem ser úteis, dependendo da sua aplicação específica. Por exemplo, os pinos I²C podem ser conectados a um controlador host para configuração adicional, o pino FLIP (pino 10) pode ser usado para indicar a orientação do cabo USB Tipo-C conectado e para definir se o dispositivo é capaz de transmitir dados ou não, e o pino FAULT (pino 9) indica se a fonte não pode fornecer a tensão ou corrente requeridas ou se um evento de sobretensão foi detectado.

PCB

O design do PCB para este CI PD específico é direto, apesar do CI estar em um pacote estilo QFN. A imagem abaixo mostra o hardware incorporado em uma placa simples de duas camadas no Altium Designer, pois não há componentes de alta frequência neste design (o mais "rápido" sendo os tempos de subida/queda da interface I²C). A camada superior é usada para roteamento de energia e sinal, enquanto a camada inferior é dedicada a um plano de terra sólido, quase ininterrupto. A opção de fornecimento de fallback não é usada aqui.

Figura 8 PCB do CI PD USB-C (3D)

O que precisamos cuidar é que nossas interconexões de energia sejam suficientemente dimensionadas para reduzir a queda de IR DC e para manter o aumento da temperatura em um nível sensato. Eu sugeriria manter suas trilhas (ou polígonos, até) de condução de energia o mais curtas quanto razoavelmente possível e calcular as larguras de trilha necessárias usando um calculador IPC-2221. Componentes de manuseio de energia, como os interruptores PFET, são assim também colocados próximos aos outros componentes de energia relevantes.
Se houver grandes desequilíbrios de cobre em lados do mesmo componente, procure usar alívios térmicos para facilitar o processo de montagem.

Adicionalmente, os capacitores de desacoplamento e bypass devem ser colocados próximos aos pinos relevantes do IC PD. Podemos colocar partes ‘menos críticas’, como os resistores de strap, mais afastados do pacote IC QFN, pois isso nos deixa amplo espaço para a expansão do dispositivo.

Figura 9 Roteamento de PCB USB Type-C PD

Conclusão

Este artigo delineou os fundamentos da implementação da entrega de energia USB Type-C em seus próprios designs de hardware. Como vimos, o processo – graças aos ICs PD dedicados – é muito direto, sem muitas partes adicionais necessárias.

Não deixe de conferir o vídeo completo do walkthrough de design aqui, que cobre alguns dos detalhes mais finos e acompanhe com um teste gratuito do Altium Designer!